高速加工中的高精度刀柄选择.doc

高速加工中的高精度刀柄选择摘要:讲述了HSK、KM和BIG-PLUS刀柄， 对静压膨胀式刀柄、应力锁紧式刀柄和热装式刀柄进行了综合比较,建议使用冷却液时选择静压膨胀式刀柄,干切削时选择应力锁紧式刀柄。关键词: 高速切削 刀柄Abstract: The paper talks about HSK KM and BIG-PLUS tool holder. The hydraulic expansion tool holder, polygonal clamping tool holder and heat shrinking tool holder are compared syn-thetically. The conclusion is: the hydraulic expansion tool holder should be selected first while using the coolant and the polygonal clamping tool holder should be selected first while cutting without coolant.Key words: high speed cutting tool holder 加工中心和高速铣削在机械加工行业已得到广泛的应用,这些机床主轴的转速一般在1000060000r/min,径向跳动度一般不超过0002mm。这样,与机床配套的刀柄也要满足高速切削的要求。1高速切削加工对刀具系统的要求所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系,刀柄与机床主轴相连,切削刀具通过夹头装入刀柄之中。要使刀具系统能在高速下进行切削加工,应满足以下基本条件：1.1较高的系统精度系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度,前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度;后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。1.2较高的系统刚度刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动,从而降低加工精度,并加剧刀具的磨损,降低刀具的使用寿命。1.3较好的动平衡性高速切削加工条件下,微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力,在加工过程中引起机床的急剧振动。因此,高速刀具系统的动平衡非常重要。2 多种新型刀柄的开发与应用目前,在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准724锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位,主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题: 刀具动、静刚度低，动平衡性差和重复定位精度低。2.1 HSK刀柄HSK(德文Hohlschaftkegel缩写)刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄,它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面定位,实现与主轴的刚性连接,如图1所示。当刀柄在机床主轴上安装时,空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触,起到定心作用。此时,HSK刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下,拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开,同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30锥面上,空心短锥柄产生弹性变形,并使其端面与主轴端面靠紧,实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。这种刀柄结构的主要优点是：（1） 有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度；（2） 有较高重复定位精度,并且自动换刀动作快,有利于实现ATC的高速化。（3） 具有良好的高速锁紧性。2.2 KM刀柄KM刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司与德国怀迪尔(Widia)公司于1987年联合开发出来的,与HSK刀柄并存的110短锥空心柄,其结构如图2所示。KM刀柄首次提出了端面与锥面双面定位原理。KM刀柄采用了110短锥配合长度短,仅为标准724锥柄相近规格长度的1/3,部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。2.3 BIG-PLUS刀柄对高速切削加工用刀柄的研究改型除了德国和美国外,日本一些公司也致力于对原724实心长锥柄进行多种形式的改进,以达到双面定位,提高定位精度和刚度的目的。BIG-PLUS刀柄的锥度仍然是724。其工作原理是:将刀柄装入主轴锥孔锁紧前,端面的间隙小。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙,使刀柄端面与主轴端面贴紧,从而增大其刚度。这种刀柄同样采用了过定位,因而必须严格控制其形状精度和位置精度,其制造工艺难度比HSK刀柄还要高。3 HSK刀柄夹持系统静压膨胀式刀柄、应力锁紧式刀柄和热装式刀柄是加工中心和高速铣削中常用的的夹头，下面分别介绍三刀柄的原理。3.1静压膨胀式刀柄的夹持原理 图3 静压膨胀式刀柄的结构原理图静压膨胀式刀柄的结构如图3所示,它的夹头主体与装夹孔的膨胀壁之间是一个充油的环形封闭油腔,当用内六角扳手拧紧加压螺钉时,油腔内的油压升高,于是封闭油腔中的每个部分都受到相同的压力;具有弹性的装夹孔的膨胀壁在受到油压后向轴线方向膨胀而夹紧刀具;当松开加压螺钉时,油腔内油压回落,装夹孔的膨胀壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松开刀具.3.2应力锁紧式刀柄的夹持原理图4 TRIBOS-R型应力锁紧式刀柄图5 TRIBOS-S型应力锁紧式刀柄图6 TRIBOS-R型刀柄的夹持原理图应力锁紧式刀柄有二种:TRIBOS-R型(见图4)和TRIBOS-S型(见图5)。TRIBOS-R型刀柄的外形粗壮,具有特殊设计的减振空腔结构,可用于粗切削加工和重切削加工;TRIBOS-S型刀柄的夹持段外径极细,可以在加工空间非常受限制的场合解决干涉问题。这二种刀柄的夹持原理相同。TRIBOS-R型应力锁紧式刀柄的夹持原理如图4所示,夹持孔具有轴对称的特殊几何形状(见图6a),在原始状态下,刀具无法插入夹持孔内。安装刀具时,使用专用加载器对夹持段从外部加压,迫使夹持孔在弹性变形的范围内变成圆孔(见图6b),此时可以顺利地将刀具插入夹持孔内(见图6c),然后松开加载器,撤掉外部载荷,刀具就被变形恢复力牢固地夹紧(见图6d)。同样,使用加载器也可以方便地取出或更换刀具。3.3热装式刀柄的夹持原理 热装式刀柄的结构如图7所示,它利用刀柄材料的热胀冷缩性能来夹持刀具。在原始状态下,夹持孔的直径小于刀具直径,刀具无法直接插入。安装刀具时,首先对刀柄的夹持段加热,金属材料受热膨胀,夹持孔尺寸变大,此时,刀具可以顺利地插入到夹持孔中;然后将刀柄夹持段冷却,金属材料收缩,依靠刀柄材料的收缩力将刀具牢牢地夹住。卸刀的过程和上述装刀的过程相同。通常采用电感加热的方法加热刀柄。 图7 热装式刀柄的结构3.4 三种刀柄夹持系统的性能比较表1列出了三种刀柄的性能比较。静压膨胀式刀柄具有环形封闭油腔,应力锁紧式刀柄TRIBOS-R有减振空腔结构,这二种刀柄在切削加工时具有阻尼减振性能,可以减小刀具的振动,大幅度提高刀具的使用寿命;而热装式刀柄是一种纯刚性夹持。三种刀柄的夹持精度(径向跳动)都为0003mm,静压膨胀式和应力锁紧式刀柄的径向跳动是在夹持孔外25Dmax或50mm处测量的(见图6);热装式刀柄的径向跳动值是在夹持孔口处测量的。静压膨胀式刀柄用一把内六角扳手就可以装卸刀具,应力锁紧式刀柄要借助于加载器装卸刀具,热装式刀柄要借助于加热装置装卸刀具。刀柄的夹持力属热装式刀柄最大,静压膨胀式刀柄次之,应力锁紧式刀柄相对最小,但应力锁紧式刀柄的夹持力已足以保证刀具在切削加工中不会打滑。热装式刀柄加热时除了径向膨胀外,在轴向也有膨胀伸长,冷却时轴向的收缩会使刀柄孔和刀杆之间产生微量的相对移动以及轴向的残余应力,微量的相对移动会使刀柄孔在多次使用后产生磨损,孔径变大;轴向的残余应力当刀具受到径向载荷时会产生不均匀释放,影响刀具的夹持精度。4 总结综上所述,高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理,提高刀柄系统的结合刚度。同时,解决好刀柄过定位带来的相关问题,并不断改善刀柄材料的性能。静压膨胀式刀柄、应力锁紧式刀柄和热装式刀柄是加工中心和高速铣削常用的三种刀柄,在选择时要综合考虑性能、价格和使用成本。建议使用冷却液时选择静